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    IBEX de la NASA trace 11 ans de changement à la frontière de l'espace interstellaire

    L'héliosphère - la bulle cosmique qui enveloppe notre soleil et toutes les planètes de notre système solaire - marque la frontière où les particules provenant de notre soleil (collectivement connues sous le nom de vent solaire) entrent en collision avec le milieu interstellaire. Depuis plus de 11 ans — un cycle solaire complet, d'une activité élevée de taches solaires à une faible activité solaire et vice-versa — David McComas et son équipe ont examiné les données d'IBEX, l'explorateur des frontières interstellaires, étudier la forme et le caractère de l'héliosphère. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA

    Bien au-delà des orbites des planètes se trouvent les contours flous de l'héliosphère, la bulle magnétique dans l'espace que nous appelons maison. Cette bulle cosmique flexible s'étire et se rétrécit en réponse aux halètements et aux soupirs du soleil.

    Maintenant, pour la première fois, une équipe de scientifiques dirigée par David McComas de Princeton a rassemblé un cycle solaire complet de données provenant du vaisseau spatial IBEX de la NASA, qu'ils ont utilisé pour étudier comment l'héliosphère change au fil du temps. Les cycles solaires durent environ 11 ans, alors que le soleil passe des saisons d'activité élevée à faible et vice-versa. Les scientifiques étaient impatients d'utiliser le record de 11 ans d'IBEX pour observer les changements au bord de l'héliosphère. Les résultats montrent la forme de l'héliosphère - un sujet de débat ces dernières années - et font allusion aux processus derrière l'une de ses caractéristiques les plus déroutantes. Ces découvertes, avec un ensemble de données nouvellement affiné, ont été publiés dans Les suppléments du journal d'astrophysique le 10 juin.

    "C'est cette toute petite mission, " dit McComas, chercheur principal de la mission et professeur de sciences astrophysiques. IBEX, abréviation de Interstellar Boundary Explorer, est la taille d'un pneu de bus. "C'est un grand succès, durer beaucoup plus longtemps que quiconque ne l'avait prévu. Nous avons maintenant la chance d'avoir tout un cycle solaire d'observations."

    Cartographier le bord du système solaire, une particule à la fois

    La bulle de l'héliosphère est remplie du vent solaire, le flux constant de particules chargées du soleil. Le vent solaire se précipite dans toutes les directions, un million de miles par heure, jusqu'à ce qu'il bute contre le milieu interstellaire, vents d'autres étoiles qui remplissent l'espace entre eux.

    Alors que le soleil traverse le milieu interstellaire, il génère un chaud, vague dense un peu comme la vague d'étrave d'un bateau. L'environnement cosmique de notre héliosphère est connu sous le nom de Fluff local, un nuage de gaz surchauffés. Là où le vent solaire rencontre le fluff local est le bord de l'héliosphère, appelé l'héliopause. Juste à l'intérieur se trouve une région turbulente appelée l'héliogaine.

    IBEX se concentre sur de minuscules particules appelées atomes neutres énergétiques qui sont créées à chaud, des particules chargées comme celles du vent solaire entrent en collision avec des neutres froids comme ceux provenant de l'espace interstellaire. Les particules de vent solaire rapides peuvent arracher des électrons à des atomes interstellaires lourds, devenir eux-mêmes neutres.

    Il faut environ un an pour qu'une rafale de vent solaire passe devant les planètes, passé la ceinture d'astéroïdes et la ceinture de Kuiper, au bord de l'héliosphère - un voyage 100 fois la distance entre le soleil et la Terre. Le long du chemin, le vent solaire capte les atomes ionisés des gaz interstellaires qui se sont précipités dans l'héliosphère. Le vent solaire qui arrive au bord n'est pas le même vent qui a quitté le soleil un an auparavant.

    Les particules du vent solaire pourraient passer encore six mois à errer dans le chaos de l'héliogaine, le golfe entre les deux limites extérieures de l'héliosphère. Inévitablement, certains entrent en collision avec des gaz interstellaires et deviennent des neutres énergétiques. Il faut aux particules neutres près d'une autre année pour le voyage de retour, traverser l'espace depuis le bord de l'héliosphère jusqu'à IBEX - et ce n'est que si les particules se dirigent précisément dans la bonne direction. De toutes les particules neutres formées, seuls quelques-uns parviennent à IBEX. L'ensemble du voyage prend deux à trois ans pour les particules les plus énergétiques de la plage d'observation d'IBEX, et encore plus longtemps à des énergies plus basses ou dans des régions plus éloignées.

    IBEX profite du fait que les atomes neutres comme ceux-ci ne sont pas détournés par le champ magnétique du soleil :des particules neutres fraîches se sont éloignées des collisions presque en ligne droite.

    IBEX scrute le ciel pour les particules, notant leur direction et leur énergie. Le vaisseau spatial n'en détecte qu'environ une toutes les deux secondes. Le résultat est une carte de construction lente de la frontière interstellaire, conçu à partir du même principe qu'une chauve-souris utilise pour se frayer un chemin dans la nuit :surveiller les signaux entrants pour en savoir plus sur son environnement. En étudiant d'où viennent les neutres, et quand, IBEX peut tracer les limites lointaines de notre héliosphère.

    "Nous sommes tellement chanceux d'observer cela de l'intérieur de l'héliosphère, " a déclaré Justyna Sokół, qui était un chercheur invité du programme NAWA Bekker à Princeton de 2019 à 2020.

    En utilisant les 11 années et plus de données d'IBEX, McComas et son équipe ont observé le vent solaire en constante évolution. Ils ont vu que quand le vent souffle, l'héliosphère se gonfle comme un ballon, et les particules neutres déferlent sur les franges extérieures. Quand le vent se calme, les contrats ballons; les particules neutres diminuent. La balançoire qui s'ensuit de particules neutres, les scientifiques ont rapporté, ont constamment fait écho deux à trois ans après les changements du vent, reflétant leur voyage jusqu'au bord du système solaire et retour.

    "Il faut tant d'années pour que ces effets atteignent le bord de l'héliosphère, " a déclaré Jamey Szalay, chercheur associé en astrophysique et membre de l'équipe IBEX. "Pour nous, avoir autant de données d'IBEX nous permet enfin de faire ces corrélations à long terme."

    Façonner l'héliosphère

    De 2009 à 2014, le vent soufflait assez bas et régulier, une douce brise. L'héliosphère se contracte. Puis vint une houle surprise dans le vent solaire, comme si le soleil poussait un grand soupir. Fin 2014, Le vaisseau spatial de la NASA en orbite autour de la Terre a détecté une augmentation de la pression du vent solaire d'environ 50 %, et elle est restée élevée depuis lors.

    Deux ans plus tard, le vent solaire soufflant a conduit à une rafale de particules neutres dans l'héliogaine. Encore deux ans plus tard, ils ont rempli la majeure partie du nez de l'héliosphère avant de franchir les pôles nord et sud de l'héliosphère.

    Ces changements n'étaient pas symétriques. Chaque bosse observée traçait les bizarreries de la forme de l'héliosphère. Les scientifiques ont été surpris de voir à quel point ils ont vu clairement la vague d'étrave du vent solaire repousser l'héliopause.

    "Le temps et les particules neutres ont vraiment peint les distances en forme d'héliosphère pour nous, " dit McComas, qui est également vice-président de Princeton pour le Princeton Plasma Physics Laboratory.

    IBEX n'a ​​toujours pas observé les effets de ce soupir cosmique de l'arrière de l'héliosphère, l'hélicoque. Cela suggère que l'extrémité arrière est beaucoup plus éloignée du soleil que l'avant - ces particules font un voyage beaucoup plus long. Peut-être que l'onde de vent solaire se précipite toujours vers la queue, ou peut-être que des particules neutres sont déjà sur le chemin du retour. Dans les années à venir, l'équipe IBEX les surveillera.

    L'héliosphère, la bulle cosmique entourant notre soleil et notre système solaire. Alors que l'héliosphère traverse l'espace interstellaire, un choc d'arc se forme, semblable à la vague d'étrave d'un navire se déplaçant dans l'océan. L'environnement cosmique de notre héliosphère (à l'extrême gauche) est connu des astronomes sous le nom de Fluff local, un nuage de gaz surchauffés. Là où le vent solaire rencontre le fluff local est le bord de l'héliosphère, appelé l'héliopause. Juste à l'intérieur se trouve une région turbulente appelée l'héliogaine. Sont également présents dans cette illustration les deux vaisseaux spatiaux Voyager avec leurs chemins approximatifs hors de l'héliosphère. Voyager I a été dévié vers le nord au-dessus du plan des orbites des planètes lorsqu'il a basculé par Saturne en 1980. Voyager II a été dévié vers le bas par Neptune et se dirige vers le sud sous le plan des planètes. Crédit :Walt Feimer de la NASA/Goddard

    "La nature a mis en place cette expérience parfaite pour nous permettre de mieux comprendre cette frontière, " a déclaré Szalay. "Nous devons voir ce qui se passe lorsque cette grande chose - la poussée du vent solaire - change."

    La forme de l'héliosphère a fait l'objet de débats entre scientifiques ces dernières années. Certains ont soutenu que notre bulle dans l'espace est aussi sphérique qu'un globe; d'autres ont suggéré qu'il est plus proche d'un croissant. Mais dans cette étude, McComas a dit, Les données IBEX montrent clairement que la réponse de l'héliosphère à la poussée du vent solaire était asymétrique - donc l'héliosphère elle-même doit être asymétrique aussi, façonné quelque chose comme une comète. Le soleil est situé près de l'avant, et comme il fonce à travers l'espace, l'héliotail traîne beaucoup plus loin derrière.

    S'attaquer au plus grand casse-tête d'IBEX

    Les nombreuses années de données d'IBEX ont également rapproché les scientifiques d'une explication de l'une des caractéristiques les plus déroutantes de l'héliosphère, connu sous le nom de ruban IBEX, l'une des plus grandes découvertes d'IBEX. Annoncé en 2009, il se réfère à un vaste, bande diagonale de neutres énergétiques, peint sur le devant de l'héliosphère. Cela a longtemps intrigué les scientifiques :pourquoi une partie de la frontière devrait-elle être si différente du reste ?

    Heures supplémentaires, IBEX a indiqué que ce qui forme le ruban est très différent de ce qui forme le reste du ciel interstellaire. Il est façonné par la direction du champ magnétique interstellaire. Mais comment sont produites les particules de ruban ? Maintenant, les scientifiques rapportent qu'il est très probable qu'un processus secondaire soit responsable, provoquant le doublement du voyage d'un certain groupe de particules neutres énergétiques.

    L'histoire se déroule ainsi :après être devenus neutres énergiques, plutôt que de ricocher vers IBEX, ce groupe de particules strie dans la direction opposée, à travers l'héliopause et dans l'espace interstellaire. Là, ils ont un avant-goût de la fluff locale, croisière jusqu'à ce que certains entrent inévitablement en collision avec des particules chargées qui passent, perdre à nouveau un électron et se lier au champ magnétique environnant. Encore deux ans environ passent, et les particules chargées entrent encore en collision avec des pairs plus lents, voler des électrons comme ils l'ont fait auparavant. Après cette brève migration au-delà de l'héliosphère, les neutres énergétiques deux fois nés finissent par réintégrer, se précipitant vers la maison.

    Des données IBEX étendues ont aidé les scientifiques à connecter le ruban à la longue tournée interstellaire des particules. Les particules formant le ruban ont voyagé environ deux ans de plus que le reste des particules neutres observées. En ce qui concerne le pic de vent solaire, le ruban a pris encore deux ans après le reste de l'héliosphère pour commencer à répondre.

    Dépassant largement sa mission initiale de deux ans, IBEX sera bientôt rejoint par une autre mission de la NASA, IMAP—abréviation de Interstellar Mapping and Acceleration Probe, pour lequel McComas est également chercheur principal. Le lancement de la mission est prévu fin 2024.

    "IMAP presents a perfect opportunity to study, with great resolution and sensitivity, what IBEX has begun to show us, so that we will really get a detailed understanding of the physics out there, " McComas said.


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